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本文作者：朱偉林1鐘鍇1李友川2徐強2房殿勇1作者單位：1中國海洋石油總公司2中海石油研究中心

南海北部大陸邊緣陸架(淺水區)-陸坡(深水區)區發育一系列新生代沉積盆地

與大西洋兩側的典型被動大陸邊緣相比,南海北部大陸邊緣發育在南海邊緣海一側,其規模相對較小,經歷了由中生代主動大陸邊緣向新生代邊緣海被動大陸邊緣的構造體制轉換,除了受到太平洋板塊向歐亞板塊的俯沖造成的弧后擴張作用外,還分別受到了南海擴張、印藏碰撞遠距離效應引起的紅河斷裂帶走滑作用、菲律賓板塊的斜向擠壓以及印澳板塊碰撞等諸多構造作用的疊加和復合,其構造屬性和成盆機制具有特殊性[1,3~5].新生代以來,南海北部大陸邊緣經歷了多幕裂陷作用,形成了現今從陸架(淺水區)到陸坡區(深水區)的一系列沉積盆地(圖1).南海北部陸架淺水區盆地是目前我國近海油氣勘探的主要領域之一.截至2010年底,南海北部陸架淺水區盆地,已探明原油超過10×108m3、天然氣近4000×108m相對而言,目前南海北部陸坡深水區勘探程度仍然較低,深水盆地是否具有與陸架淺水盆地相似的石油地質條件成為深水油氣勘探能否成功的基本地質前提.類比研究表明,深水區發育于淺水區相似的新生代沉積盆地(凹陷).南海北部大陸邊緣經歷了古近紀三幕裂陷作用、新近紀裂后熱沉降作用和新構造運動等3個階段構造演化[6](圖2).相應地,深水區盆地(凹陷)發育了與淺水區相似的古新統-始新統、下漸新統、中漸新統-上漸新統3套陸相-海陸過渡相沉積為主的裂陷期地層,以及新近系海相沉積為主的裂后期和新構造期沉積地層[6](圖2).地震剖面揭示,南海北部深水區發育白云凹陷、樂東-陵水凹陷、松南-寶島凹陷、長昌凹陷等大型沉積凹陷,其新生界最大沉積厚度可達8000～10000m以上,資源潛力可觀[7].必須指出的是,盡管南海北部陸坡深水區發育了與陸架區相似的新生代沉積盆地,但隨著陸架至陸坡區的巖石圈和地殼厚度的迅速減薄,巖石圈熱-流變結構和盆地變形機制會產生明顯差異,這種差異將對深水盆地(凹陷)形成和演化產生深刻的影響.此外,南海北部大陸邊緣新生代以來多期次的區域構造作用(特別是南海的形成和演化),加上可能存在的早期先存構造導致的巖石圈橫向結構不均一性,造成了不同構造部位的應力分配和變形方式的不同,進而造成陸架淺水區盆地與陸坡深水盆地之間、陸坡深水區不同盆地之間、甚至同一盆地內不同凹陷之間的形成和演化均存在著諸多差異.因此,探討南海北部大陸邊緣的區域性構造事件,特別是南海的演化對南海大陸邊緣盆地形成、演化的控制作用,恢復南海大陸邊緣盆地的構造演化序列和沉積充填樣式,將對闡明南海北部深水盆地的成盆-成烴-成藏等石油地質關鍵問題具有重要意義.

南海北部深水盆地發育3套烴源巖,生烴潛力大

南海北部大陸邊緣盆地發育3套烴源巖,即主裂陷期的始新統湖相烴源巖、晚裂陷期的漸新統海陸過渡相烴源巖和拗陷期的中新統海相烴源巖[6].其中始新統湖相烴源巖已被證實為陸架區盆地最主要的油源巖,例如北部灣盆地流沙港組和珠江口盆地的文昌組中深湖相烴源巖;海陸過渡相煤系烴源巖是陸架區盆地主要的氣源巖,以珠江口盆地的恩平組和瓊東南盆地的崖城組煤系地層為代表;中新統的海相烴源巖僅發育在鶯歌海盆地[6],是該盆地的主要烴源巖.南海北部陸坡深水區盆地具有和陸架盆地相似的演化過程,也發育了這3套烴源巖,即始新統湖相烴源巖、漸新統海陸過渡相煤系烴源巖和中新統海相烴源巖.然而,隨著南海北部大陸邊緣陸架-陸坡區巖石圈和地殼厚度的減薄,大地熱流值和地溫梯度相應逐漸增大[1,7,8],陸坡區深水盆地的這3套烴源巖的生烴機理和生烴作用將會有所差異,需展開針對性研究.近年來,對深水油氣來源的分析表明海陸過渡相烴源巖是深水盆地的主力烴源巖,并首次發現了海相烴源巖的貢獻.

1海陸過渡相烴源巖是深水區盆地的主力烴源巖

南海北部深水區海陸過渡相烴源巖已被深水鉆探直接揭示,是南海北部深水區的主力烴源巖,包括珠江口盆地恩平組和瓊東南盆地崖城組的煤系地層,為湖盆收縮期伴隨著間歇性海侵形成的一套由煤層、碳質泥巖和暗色泥巖組成烴源巖,分布廣泛而穩定.地球化學分析結果表明,南海北部深水區海陸過渡相煤系烴源巖中有機質主要來源于陸生高等植物,具有較高的有機質豐度(表1),其干酪根組分以煤質、木質、殼質和孢質為主,既具有較大的生氣能力,同時在早期生烴階段也具有較強的生成液態烴的能力.珠江口盆地白云凹陷深水區已發現的天然氣屬于煤型氣,天然氣中苯和甲苯含量高,與恩平組烴源巖具有很好的對比性(圖3),表明天然氣主要來源于恩平組海陸過渡相源巖.此外,白云凹陷發現的原油中普遍含有豐富的雙杜松烷(W,T),雙杜松烷是一類非常特征的高等植物樹脂輸入的標志化合物,在東南亞原油和沉積物中廣泛存在,是被子植物的達瑪樹脂經過生物聚合形成的[9].雙杜松烷在珠江口盆地恩平組和瓊東南盆地崖城組海陸過渡相烴源巖中含量較為豐富,因此,白云凹陷恩平組海陸過渡相烴源巖對該區已發現原油也有重要貢獻.

2首次發現了海相烴源巖的貢獻,深水勘探的領域得到了拓展

珠江口盆地白云凹陷荔灣3-1、流花34-2、流花29-1等深水油氣藏中的原油含有豐富的雙杜松烷和奧利烷.前已述及,雙杜松烷在恩平組海陸過渡相烴源巖中含量豐富,而同樣反映陸生高等植物有機質來源的奧利烷則在珠海組和珠江組海相烴源巖中具有很高的含量,珠海組海相烴源巖與原油中奧利烷的含量具有很好的對比性[10],說明白云凹陷深水區原油除恩平組海陸過渡相烴源巖的貢獻外,珠海組海相烴源巖也有重要貢獻.白云凹陷原油中還檢測出C30甾烷,進一步驗證了海相烴源巖對深水盆地生油的貢獻.南海北部深水區目前有多口鉆井揭示了漸新統和中新統海相泥巖,雖然其中含有少量的溝鞭藻化石,但其有機質主要為陸生高等植物來源的鏡質組、惰性組和殼質組,而藻類和無定形體含量很低,有機質類型主要為Ⅱ2和Ⅲ型.從有機質豐度(圖4)看,珠江口盆地珠海組海相烴源巖的有機質豐度總體高于珠江組海相烴源巖,珠江組僅在陸架淺水區的XJ33-2-1井和PY15-1-1井具有較高的有機質豐度,而陸坡深水區珠江組海相烴源巖有機質豐度普遍較低,深水區LW3-1-1井珠江組海相烴源巖的有機碳平均含量僅0.44%,主要為差-非烴源巖,而珠海組海相泥巖的有機碳平均含量可達1.08%,屬于中等烴源巖.烴源巖生烴動力學模擬實驗結果表明,LW3-1-1井珠海組海相泥巖具有較大的生烴潛力,累計產烴率達到450mg烴/gTOC,并在早期生烴階段有較多的液態烴生成.重磁震等地球物理資料綜合分析表明,在珠江口盆地-瓊東南盆地以南的深水-超深水區還發育一系列的盆地或凹陷,其凹陷規模和沉積厚度相對較小,但這套海相烴源巖在這些盆地或凹陷內廣泛分布,隨著深水-超深水區的地溫梯度不斷升高,傳統生烴門限范圍外的這些規模較小的凹陷可能因此具備生烴潛力.因此需要對珠江口-瓊東南盆地以南深水-超深水區盆地或凹陷進行重新評價.南海北部深水勘探的領域也將由深水區的大中型沉積凹陷進一步拓展至深水-超深水區規模相對較小的凹陷.

3始新統湖相烴源巖是深水區潛在的烴源巖

南海北部大陸邊緣始新世處在氣候溫暖濕潤、生物繁茂的古湖泊發育鼎盛時期,適宜的古氣候和古環境有利于浮游植物繁盛乃至勃發,在規模較大、水體較深的古湖泊中有機質得以大量保存和堆積,具有較高的生產力[11].始新統中深湖相烴源巖已經被證實為南海北部陸架淺水區盆地內最主要的油源巖.白云凹陷LWX-1-1井在3190~3240m層段獲得浮游藻類含量占絕對優勢的微體植物化石組合,所見組合中浮游藻類均為河湖相藻類,含量可高達90.7%,其中最多者是盤星藻,其次是粒面球藻和光面球藻,尚零星見有葡萄藻和刺面球藻.因此,該井段為古近紀沉積序列中含河湖相藻類的富藻沉積層,并可進一步推測該井段的沉積地層形成于湖泊環境,且為具一定礦化度的淡水湖;該井段的地層沉積時,湖水生產力較高,浮游藻類繁盛.盆地模擬結果表明,始新統這套烴源巖在陸坡區高熱背景下,其主體現今處于高成熟-過成熟階段,生排烴期較早,目前可能以裂解氣為主,是深水區一套潛在的烴源巖.

4三套烴源巖的分布特征

南海北部大陸邊緣盆地3套烴源巖的分布還具有明顯的分帶性(圖5).以珠江口盆地為例,陸架淺水區珠一拗陷的烴源巖主要為始新統文昌組湖相烴源巖,主體位于陸坡深水區的珠二拗陷烴源巖則主要為恩平組海陸過渡相煤系烴源巖,而珠江口盆地深水區以南的深水-超深水區,海相烴源巖將可能成為其主要烴源巖.因此,對南海北部深水盆地3套烴源巖類型及其分布的認識將對深水區的油氣勘探具有指導意義.

南海北部深水區盆地得到珠江和紅河兩大沉積體系的長期供給

世界上深水區的油氣發現多集中在大型深水海底扇的濁積沉積體系內.而南海北部深水區缺乏世界級大江大河的注入,其三角洲體系和深水濁積體系的規模相對較小,而且沉積物自華南地區物源區向南海北部的搬運過程中,先途經了陸架淺水區的拗陷帶,再進入陸坡深水區,具有遠源沉積特征,其沉積樣式和儲層特征與大西洋兩側典型被動大陸邊緣盆地和南海北部相鄰陸架淺水區均存在明顯差異.而能否在南海北部深水盆地尋找大型優質儲集體將直接關系到深水勘探的成敗.研究表明,華南陸區的珠江沉積體系和紅河沉積體系長期以來是南海北部大陸邊緣盆地的兩個主要物源供給體系[5,6,12~14].來自古珠江的沉積物源在漸新世-中新世于珠江口盆地白云凹陷陸架邊緣形成了一套陸架邊緣三角洲沉積體系,是目前深水勘探的主要層系.近年來,在瓊東南盆地深水盆地還首次發現了來自紅河沉積體系的中央水道砂體,并得到了深水鉆探的初步證實.

1珠江口盆地白云凹陷陸架邊緣三角洲沉積體系

基于近期珠江口盆地白云凹陷的大量鉆井、三維地震資料的綜合分析,發現了漸新世-中新世白云凹陷陸架邊緣三角洲及其沉積體系(圖6).漸新世該陸架邊緣三角洲以三角洲前緣沉積為主,在陸架斷階坡折控制下呈“S”型向陸坡生長;而中新世其自外陸架到上陸坡的延伸空間內,沉積特征發生改變,陸架邊緣三角洲前緣沉積體在白云凹陷內形成三角洲前緣(包括分流水道、砂壩)到陸架-陸坡峽谷水道、三角洲前緣滑塌的重力流搬運舌狀(斜坡扇)沉積,期間偶有東沙隆起的碳酸鹽巖近物源供給干擾.這種沉積演化特征受控于陸架邊緣三角洲體系發育和陸架斷階坡折帶的演化,形成陸架邊緣三角洲體系并發育深水大型優質儲集體(圖6).近期,白云凹陷深水區勘探相繼獲得了流花34-2和流花29-1兩個商業性油氣發現,進一步證實了該陸架邊緣三角洲體系形成演化和深水大型優質儲集體分布關系,揭示了該沉積體系的重要勘探潛力.

2鶯歌海盆地-瓊東南盆地紅河三角洲-海底扇沉積體系

紅河是發育在南海北部的另一條重要河流,是南海北部大陸邊緣西側鶯歌海盆地的重要物源供給[5,6].通過對南海西北部鶯歌海-瓊東南盆地地震和鉆井資料研究,在兩個盆地的結合部發現首次發現了一個主要發育于晚中新世(黃流期)的大型紅河海底扇,主要呈北西向展布[14].王英明等人[14]認為其在晚中新世黃流期(10.5~5.5Ma)規模達到最大,分布面積達上萬平方千米,最厚可達2000m,通過沉積相分析進一步指出其沉積物主要來自紅河,并與紅河三角洲以及相關的海底峽谷共同構成了紅河沉積體系;上新世以來,紅河海底扇轉化為瓊東南盆地內長達數百千米的中央峽谷.瓊東南盆地陸架坡折帶靠近陸架一側的鉆探多年來未能取得商業性的油氣發現,儲層因素是失利的主要原因之一,推測其與瓊東南盆地缺乏類似珠江口盆地來自珠江水系攜帶足夠規模的沉積物有關.2010年年底,瓊東南盆地深水區針對中央峽谷水道鉆探了陵水22-1構造,發現了近60m的氣層,儲層物性條件好.對其物源進行深入研究,將為瓊東南盆地深水區儲層研究和預測提供新的思路.當然,對南海北部深水盆地沉積體系和儲層的研究不應局限于目前的勘探層系,還應繼續探究深水盆地演化過程中,周邊一系列重大事件,如青藏高原隆升、臺灣山脈隆起、南海擴張對深水盆地的物源供給以及沉積作用的影響和控制.此外,深水盆地還具備發育碳酸鹽巖儲層的有利條件,在相鄰陸架區和南海中南部均發現了大型的碳酸鹽巖油氣藏,碳酸鹽巖儲層也是今后南海北部深水勘探的另一個重要領域.

南海北部深水盆地大中型油氣田成藏特征與勘探方向

南海北部深水區發育了一系列新生代沉積盆地和凹陷,除了在珠江口盆地-瓊東南盆地深水區發育白云凹陷、樂東-陵水凹陷、松南-寶島凹陷和長昌凹陷等大型凹陷外,在盆地以南的深水-超深水區還發育有一批規模相對較小的盆地或凹陷.南海北部深水區盆地普遍發育湖相、海陸過渡相和海相3套烴源巖,3套烴源巖均有生烴貢獻,其中主力烴源巖為海陸過渡相烴源巖,其有機質主要為Ⅱ2-Ⅲ型干酪根,在陸坡盆地超熱背景下,以生氣為主.生烴模擬結果進一步表明烴源巖熱演化程度控制著深水盆地的油氣分布.瓊東南盆地以生成高-過成熟天然氣為主;珠江口盆地處于成熟-高成熟階段,在生成天然氣的同時,還生成較多的油,白云凹陷邊緣烴源巖的熱演化程度明顯低于凹陷中心,凹陷邊緣主要處于成熟生油階段,而凹陷中心處于高成熟生氣階段.此外,深水-超深水區一批規模相對較小的盆地或凹陷在晚期高熱背景下也可能生烴.南海北部深水盆地有來自珠江沉積體系和紅河沉積體系兩大物源體系的長期供給,發育淺水(扇)三角洲、深水扇和碳酸鹽巖生物礁2種類別的3類儲層.目前,在珠江口盆地-瓊東南盆地深水區已經發現和落實了50余個大中型構造圈閉和30多個生物礁體.新構造期的斷裂活動和深部熱流體底辟作用為深部油氣的垂向運移創造了條件,斷裂帶、區域性不整合面以及砂體的有效橫向配置構成了深水盆地油氣運移的有效通道.鑒于深水油氣勘探的高經濟門檻,深水油氣勘探將以大中型油氣田的發現為最終目的.因此,南海北部深水區必須在勘探領域上優選富生烴凹陷,勘探層系上尋找主力成藏組合,勘探目標上首選大中型構造圈閉.在珠江口盆地白云凹陷深水區圍繞28Ma陸架坡折帶一線以儲層研究為核心,在已發現油氣藏的周邊尋找有利構造和規模砂體,繼續落實和評價白云凹陷的大中型構造圈閉,探索和證實荔灣凹陷的生烴潛力.在瓊東南盆地的中央峽谷水道拓展其他有利巖性圈閉,在凹中隆和凸起區嘗試大中型構造圈閉和生物礁構造.此外,還應對珠江口-瓊東南盆地南部的深水-超深水區的新盆地或凹陷進行普查和評價.

結語

南海深水盆地的油氣勘探對于緩解我國能源供需矛盾、推動南海基礎科學研究和技術進步、帶動深水相關產業發展、維護國家主權和領土完整均具有重要意義.然而,由于目前南海北部深水區鉆井數量少,對深水盆地的研究以地震資料為主.地震資料揭示的深水盆地最大沉積厚度可達8000～10000m以上,當前研究的范圍主要為新生界地層,在部分地區的新生界地層之下,可見與之呈大角度不整合接觸的前新生代地層,但這些前新生代盆地的性質、結構和地層分布情況尚不清楚.即使在目前研究相對集中的新生代盆地,由于鉆探目的層為漸新統儲層,揭示的地層厚度在3000m左右,在新生代盆地的成盆機制和盆地構造沉積演化等方面還存在一些未解決的難題.南海深水盆地油氣勘探及其石油地質問題的研究不僅需要石油工業界的大量投入,還需要基礎研究領域的緊密配合和協同攻關,二者互為支撐,相互促進.一系列諸如南海形成和演化等基礎科學問題的闡明將有助于為深水盆地油氣勘探相關研究提供理論依據和指導,同時深水油氣勘探獲得的工業地震和鉆井資料也將為基礎研究提供更為翔實的第一手資料,并對基礎研究的成果和認識做進一步約束和驗證.